Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy bơm nhiệt một số sản phẩm kém chịu nhiệt

Luận văn thạc sĩ khoa học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH CÔNG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY BƠM NHIỆT
MỘT SỐ SẢN PHẨM KÉM CHỊU NHIỆT
Chuyên ngành: Quá trình và thiết bị Công nghệ sinh học – Công nghệ thực
phẩm
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ SINH HỌC – CÔNG NGHỆ
THỰC PHẨM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. NGUYỄN MINH HỆ
Hà Nội 2011

Học viên : Nguyễn Đình Công

1

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC

MỤC LỤC.....................................................................Error! Bookmark not defined.
LỜI CAM ĐOAN .........................................................Error! Bookmark not defined.
LỜI MỞ ĐẦU ...............................................................Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC BẢNG ...........................................Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ SƠ ĐỒ ...Error! Bookmark not defined.
Phần 1 : TỔNG QUAN .................................................Error! Bookmark not defined.
I.1 – Tình hình nghiên cứu ngoài nước :...................Error! Bookmark not defined.
I.2 – Tình hình nghiên cứu trong nước: ....................Error! Bookmark not defined.
I.3 – Đặt vấn đề: ........................................................Error! Bookmark not defined.
Phần 2 : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH SẤY BƠM NHIỆTError! Bookm
II.1 – Yêu cầu đối với thiết bị nghiên cứu cần thiết kế:Error! Bookmark not defined.
II.2 – Cơ sở lý thuyết : ..............................................Error! Bookmark not defined.
II.2.1 – Chu trình làm việc của tác nhân lạnh : .....Error! Bookmark not defined.
II.2.2 – Chu trình làm việc của tác nhân sấy:........Error! Bookmark not defined.
II.3 – Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị:.....Error! Bookmark not defined.
II.3.1 - Các thông số tính toán..............................Error! Bookmark not defined.
II.3.2 - Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-dError! Bookmark not defined.
II.3.3 – Tính nhiệt quá trình sấy thực:...................Error! Bookmark not defined.
II.3.4 – Tính chọn bơm nhiệt: ...............................Error! Bookmark not defined.
II.4 – Tích hợp hệ điều khiển tự động cho máy sấy:.Error! Bookmark not defined.
II.4.1 – Cấu trúc hệ thống điều khiển: ..................Error! Bookmark not defined.
II.4.2 – Thiế kế điện điều khiển cho máy sấy: ......Error! Bookmark not defined.
II.4.3 – Lập trình điều khiển cho máy sấy: ...........Error! Bookmark not defined.
Phần 3 : TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC
NGHIỆM.......................................................................Error! Bookmark not defined.
III.1 – Đặt vấn đề: .....................................................Error! Bookmark not defined.
III.1.1 – Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy bơm nhiệt:Error! Bookmark not define
III.1.2 – Mục đích nghiên cứu: .............................Error! Bookmark not defined.

Học viên : Nguyễn Đình Công

2

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

III.1.3 – Xác định các yếu tố ảnh hưởng chính:....Error! Bookmark not defined.
III.2 – Tiến hành thí nghiệm: ....................................Error! Bookmark not defined.
III.2.1 – Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong thí nghiệm:Error! Bookmark not defined.
III.2.2 – Xử lý nguyên liệu trước khi sấy: Cùi dừaError! Bookmark not defined.
III.3 – Tiến hành thí nghiệm và xây dựng mô hình thực nghiệm:Error! Bookmark not defin
III.3.1 – Xây dựng ma trận thực nghiệm: .............Error! Bookmark not defined.
III.3.2 – Tiến hành thí nghiệm và lập bảng số liệu:Error! Bookmark not defined.
III.4 – Quy hoạch thực nghiệm bậc một ba yếu tố....Error! Bookmark not defined.
III.4.1 – Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc mộtError! Bookmark not defined.
III.4.2 – Kết quả thí nghiệm..................................Error! Bookmark not defined.
III.5 – Quy hoạch thực nghiệm bậc 2 ba yếu tố........Error! Bookmark not defined.
III.5.1 – Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 2Error! Bookmark not defined.
III.5.2. Mô hình thực nghiệm bậc 2 ......................Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN...................................................................Error! Bookmark not defined.
Tài liệu tham khảo.........................................................Error! Bookmark not defined.
Phụ lục...........................................................................Error! Bookmark not defined.

Học viên : Nguyễn Đình Công

3

Lớp QTTB CNSH - CNTP

Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Công

Học viên : Nguyễn Đình Công

4

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những thành tựu quan trọng nhất trong lịch sử loài người đó là tìm
ra khả năng tách nước của thực phẩm. Thời gian đầu việc tách nước làm khô là sử
dụng ánh sáng mặt trời, nhưng ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của
khoa học kỹ thuật đã có nhiều phương pháp và thiết bị hiện đại để thực hiện việc
làm khô hay còn gọi là sấy khô. Trong những thập kỷ vừa qua đã có những sự nỗ
lực đáng kể trong việc tìm hiểu về sự biến đổi hóa học và sinh học trong quá trình
sấy khô nhằm đưa ra những phương pháp sấy tốt nhất. Đã có rất nhiều phương pháp

sấy được đưa ra và một trong những phương pháp sấy đem lại hiệu quả và chất
lượng cao cho sản phẩm sấy đó là sấy bơm nhiệt. Sấy bơm nhiệt là một phương
pháp sấy đối lưu không khí trong đó có sử dụng thêm một hệ thống lạnh. Không khí
khô được cung cấp liên tục cho sản phẩm để tách ẩm. Không khí ẩm này đi qua dàn
bay hơi của bơm nhiệt ở đây nước sẽ được ngưng tụ, nhả nhiệt cho tác nhân lạnh sôi
bay hơi trong dàn bay hơi. Lượng nhiệt này được sử dụng làm lạnh không khí sấy
sau khi nó đi qua dàn ngưng tụ của bơm nhiệt. Do đó, lượng nhiệt được phục hồi
trong quá trình được nhả ra từ dàn ngưng tụ của chu trình tác nhân lạnh và được sử
dụng để gia nhiệt lại cho không khí trong buồng sấy. Việc sử dụng máy sấy bơm
nhiệt mang lại một số lợi thế hơn hẳn so với các phương pháp sấy nhiệt thông
thường cho các sản phẩm thực phẩm sấy, bao gồm cả việc sử dụng năng lượng có
hiệu quả cao, sản phẩm có chất lượng tốt hơn, khả năng hoạt động độc lập không
phụ thuộc vào điều kiện thời tiết xung quanh, và không có tác động ảnh hưởng tới
môi trường. Thêm vào đó, chất ngưng tụ có thể thu hồi lại được và cất giữ một cách
thích hợp và vẫn còn khả năng phục hồi giá trị các thành phần bay hơi từ dàn ngưng
tụ. Một trong những lý do chính của các cải tiến chất lượng trong các sản phẩm sấy
bơm nhiệt đó là khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp. Nếu một máy sấy bơm nhiệt sử
dung ở nhiệt độ thấp (100 C – 600 C) sẽ cho các sản phẩm thực phẩm có chất lượng
cao. Ngoài ra nó còn có khả năng sử dụng sấy bơm nhiệt với việc giảm bớt áp suất
để đạt được sản phẩm có chất lượng cao hơn.Việc loại bỏ nước dưới dạng lỏng dễ
hơn dưới dạng hơi cho phép lượng nhiệt ẩn của quá trình hóa hơi có thể thu giữ

Học viên : Nguyễn Đình Công

5

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

được, và chỉ một lượng nhỏ năng suất nhiệt bị mất đi khi ngưng tụ. Các chi phí năng
lượng trong sấy thường được diễn tả như là “ tỷ lệ tách ẩm riêng phần ” hay gọi là
hệ số SMER. Hệ số SMER theo thiết kế của một máy sấy bơm nhiệt nằm trong
khoảng từ 1 – 4 kg/kWh trong khi đó SMER của một phương pháp sấy nóng chỉ là
0,95 kg/kWh. Một bảng so sánh của máy sấy bơm nhiệt với sấy chân không và sấy
bằng không khí nóng được thể hiện trong bảng :
Tham số

Sấy khí nóng

Sấy chân không

Sấy bơm nhiệt

SMER(kg/kWh)

0,12 – 1,28

0,72 – 1,2

1–4

Hiệu suất sấy

35 – 40

70

95

Dải nhiệt độ làm việc

40 – 90

30 – 60

10 – 65

Dải độ ẩm làm việc

Có thể điều chỉnh

Thấp

10 – 65

Vốn đầu tư

Thấp

Cao

Vừa phải

Chi phí vận hành

Cao

Rất cao

Thấp

Bảng so sánh một số phương pháp sấy.

Học viên : Nguyễn Đình Công

6

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG
1.

Bảng II.1: Xây dựng bảng cân bằng nhiệt

2. Bảng III.1: Thí nghiệm I
3. Bảng III.2: Thí nghiệm II
4. Bảng III.3: Thí nghiệm III
5. Bảng III.4: Thí nghiệm IV
6. Bảng III.5: Thí nghiệm V
7. Bảng III.6: Thí nghiệm VI
8. Bảng III.7: Thí nghiệm VII
9. Bảng III.8: Thí nghiệm VIII
10. Bảng III.9: Thí nghiệm IX
11. Bảng III.10: Ma trận thực nghiệm yếu tố đầy đủ 23
12. Bảng III.11: Ma trận thực nghiệm và kết quả thí nghiệm

13. Bảng III.12: Bảng giá trị tại các điểnm thí nghiệm
14. Bảng III.13: Các giá trị α, β
15. Bảng III.14: Ma trận thực nghiệm cấp 2 ba yếu tố.
16. Bảng III.15: Tính toán các hệ số hồi quy
17. Bảng III.16: Tính toán các chỉ số để xác định hệ số có nghĩa của phương trình
hồi quy
18. Bảng III.17: Xác định các hệ số hồi quy có nghĩa
19. Bảng III.18: Kiểm tra tính thích ứng của mô hình

Học viên : Nguyễn Đình Công

7

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ SƠ ĐỒ
1.

Hình I.1: Sơ đồ nguyên lý của một máy sấy bơm nhiệt hiện đại.

2.

Hình II.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt

3.

Hình II.2: Chu trình vòng ngược của máy lạnh nén hơi một cấp trêm đồ thị

logP – i
4.

Hình II.3: Đồ thị I – d biểu diễn chu trình của tác nhân sấy.

5.

Hình II.4: Cấu trúc hệ điều khiển.

6.

Hình II.5: Cấu trúc điều khiển nhiệt độ

7.

Hình II.6: Cấu trúc điều khiển tốc độ gió

8.

Hình II.7: Cấu trúc điều khiển công suất lạnh

9.

Hình II.8: Giao diện điều khiển giám sát quá trình trên máy tính.

10.

Hình II.9: Thuật toán điều khiển.

11.

Hình III.1: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm I

12.

Hình III.2: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm II

13.

Hình III.3: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm III

14.

Hình III.4: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm IV

15.

Hình III.5: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm V

16.

Hình III.6: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm VI

17.

Hình III.7: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm VII

18.

Hình III.8: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm VIII

19.

Hình III.9: Đồ thị độ ẩm của cùi dừa theo thời gian thí nghiệm IX

20.

Hình III.10: Mô tả các toạ độ cực tối ưu

Học viên : Nguyễn Đình Công

8

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Phần 1 : TỔNG QUAN
I.1 – Tình hình nghiên cứu ngoài nước :

Hình I.1: Sơ đồ nguyên lý của một máy sấy bơm nhiệt hiện
đại.
Hiện nay phương pháp sấy bơm nhiệt đang được ứng dụng rộng rãi ở nhiều
nước trên thế giới. Với những tính năng vượt trội so với các phương pháp sấy khác,
đảm bảo chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, quá trình sấy không phụ thuộc
vào ảnh hưởng của môi trường xunh quanh… Một loạt các nghiên cứu ứng dụng
sấy bơm nhiệt trên các sản phẩm rau quả đã được tiến hành như:
+ Những máy sấy bơm nhiệt rất thích hợp với các vật liệu có tính chịu nhiệt

kém bởi vì điều kiện làm khô dễ điều khiển. Ở Na Uy đã được ứng dụng trong
nghành công nghiệp sấy cá và táo. ứng dụng thành công làm khô sản phẩm : cá, phụ

Học viên : Nguyễn Đình Công

9

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

phẩm từ cá, hoa quả, rau, bơ sữa, chế phẩm sinh học, những chất có tính linh động
với nhiệt hoặc chịu nhiệt kém. Việc làm khô này sẽ đưa đến những sản phẩm cuối
cùng có chất lượng cao, thể hiện bởi tính năng: độ rắn, xốp, đặc, hydrat hóa, màu
sắc, mùi vị, và những tính năng khác.
+ Sấy hạt giống sử dụng bơm nhiệt: (Somchart Soponronnarit, Somboon
Wetchacama, Tanin Kanphukdee School of enery and materials – King Mongkut’s
University of technology Thonburi – Suksawat 48Rd, Bangkok 10140 – Thailand)
Mục tiêu của thí nghiệm là mô tả, xây dựng và kiểm tra một máy sấy bơm
nhiệt cho sấy lúa giống làm việc với một số máy sấy khác. Trong nghiên cứu này,
hat giống được sấy khô bằng không khí ngoài trời từ độ ẩm ban đầu 13,5% w.b đến
22,2% w.b. xuống độ ẩm cuối cùng khoảng 12% w.b, nhiệt độ của khí làm khô đầu
vào khoảng 430C, cụ thể lưu lương không khí 9 m3/min-m3 hạt giống và tỷ lệ bỏ
qua không khí của máy bốc hơi 0%, 30%, 50%. Những ảnh hưởng của tổn thất liên
quan đến sự tiêu thụ năng lượng, kiểm tra các chỉ số COPhp, SMER, MER. Kết quả
thử nghiệm cho thấy chí số COPhp, SMER tăng lên tối đa khi tỷ lệ bỏ qua không
khí là 0%, và giảm đi khi tăng tỷ lệ bỏ qua không khí. Chất lượng hạt giống rất tốt
với điều kiện nảy mầm của chế độ phơi nắng và sấy bơm nhiệt là 98% và 97% và
điều kiện sinh trưởng của chế độ phơi nắng và sấy bơm nhiệt là 96% và 95% tương

ứng. Ước lượng chi phí làm khô hạt giống với độ ẩm ban đầu 22,2 %w.b và độ ẩm
cuối là 12,4 %, tìm thấy được tổng số chi phí làm khô là 2,81 Baht/kg nước bay hơi
trong đó 0,63 baht chi phí cho năng lượng, 0,41 baht chi phi cho bảo trì, 1,77 baht
chi phí cố định (1USD = 40 Baht).
I.2 – Tình hình nghiên cứu trong nước:
Ở Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ sấy bơm nhiệt đã bắt đầu
được quan tâm đầu tư nghiên cứu.
+ Máy sấy DAIKA hiệu DK-EL5 được đưa vào Việt nam năm 1998 sử dụng
sấy hạt nông sản chủ yếu là lúa và đã được cải tiến phù hợp với khí hậu cũng như
môi trường Việt nam. Nguyên lý sấy bơm nhiệt có tác nhân sấy không hồi lưu (Chu
trình hở).

Học viên : Nguyễn Đình Công

10

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

* Thông số chính của máy sấy DK-EL5
- Năng suất sấy lúa: 1250kg
- Thời gian sấy từ độ ẩm 28% xuống 18%: 5-6 h
- Nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy: 500C , 15%
- Công suất điện tiêu thụ: 11kw

* Kết quả khảo nghiệm :
Qua thực tế ứng dụng tại Việt nam đã được cơ quan BPRE (Cục nghiên cứu sau
thu hoạch) và IRRI (Viện nghiên cứu lúa Quốc tế) ở Philíppin trắc nghiệm với kết

quả là tiết kiệm được hơn 50% nhiên liệu và tăng tỷ lệ hạt nguyên. Đối với lúa
giống sấy bằng thiết bị này đạt độ nảy mầm gần 100%.
+ Theo công bố tại tạp chí số 65 KH&CN Nhiệt - Trường Đại học bách khoaHà Nội Thiết bị sấy bơm nhiệt và hút ẩm BK-BSH18. Hệ thống sấy đã được lắp đặt
cho dây chuyền sản xuất kẹo jelly năng suất 800kg/ngày tại Công ty cổ phần Bánh
kẹo Hải Hà và Nhà máy thực phẩm Việt Trì.
+ Thiết bị sấy bơm nhiệt SBN-125 Là sản phẩm của đề tài cấp tỉnh (Thanh
hoá): ‘‘Ứng dụng công nghệ phù hợp để sấy cói nguyên liệu và bảo quản lạnh sản
phẩm cói đạt tiêu chuẩn xuất khẩu sang Nhật Bản’’ Thuộc chương trình : Đổi mới
công nghệ nâng cao chất lượng sản phẩm - Năm 2005. Cơ quan chủ trì đề tài là
Viện cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch.
I.3 – Đặt vấn đề:
Việc ứng dụng sấy bơm nhiệt vào Việt Nam mới chỉ là những bước khởi đầu
nên còn nhiều hạn chế cần khắc phục để nâng cao giá trị sử dụng và ứng dụng rộng
rãi vào nước ta. Như ta đã biết thì bản thân không khí ở điều kiện bình thường cũng
có khả năng sấy, ví dụ như chúng ta vẫn thường phơi quần áo, phơi thóc, ... Trong
thiết bị sấy bơm nhiệt ta thường sử dụng thì hệ thống lạnh tách ẩm được làm việc
liên tục vì vậy tác nhân sấy sẽ đảm bảo luôn khô. Một câu hỏi đặt ra là liệu có cần
thiết phải tách ẩm liên tục như vậy hay không? Hay tùy từng gia đoạn của quá trình
sấy mà ta điều khiển việc tách ẩm một cách phù hợp đểm đem lại hiệu quả kinh tế.
Vi khi chạy cả một hệ thống lạnh như vậy sẽ làm tăng chi phí về điện năng sử dụng.

Học viên : Nguyễn Đình Công

11

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trong quá trình sấy thì giai đoạn cuối của quá trình sấy thì việc hạ độ ẩm của
vật liệu từ khoảng 20% xuống 10% là rất khó. Vì vậy nên giai đoạn cuối này ta phải
tách thật nhiều ẩm của tác nhân sấy để làm cho tác nhân sấy thật khô thì mới tăng
được khả năng lấy ẩm trong giai đoạn cuối của quá trình.
Do đó ta cần phải khảo sát ảnh hưởng của công suất lạnh tách ẩm đến quá
trình sấy như thế nào. Chính vì vậy mục đích của luận văn là nghiên cứu tìm sự ảnh
hưởng của nhiệt độ sấy, tốc độ tuần hoàn tác nhân sấy, công suất lạnh tách ẩm đến
quá trình sấy. Từ đó ta có thể mở rộng ứng dụng hiệu quả của sấy bơm nhiệt trong
các lĩnh vực.

Học viên : Nguyễn Đình Công

12

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Phần 2 : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÔ HÌNH SẤY BƠM NHIỆT
II.1 – Yêu cầu đối với thiết bị nghiên cứu cần thiết kế:
Để đáp ứng yêu cầu khảo sát được các thông số kỹ thuật của quá trình sấy
bơm nhiệt và đặc biệt là khảo sát được sự ảnh hưởng của chế độ lạnh tách ẩm đối
với quá trình sấy, ta cần phải xây dựng được một mô hình sấy thí nghiệm có các
chức năng sau:
+ Có khả năng đo hiển thị các thông số công nghệ của quá trình sấy như nhiệt độ,
độ ẩm, áp suất.
+ Các cơ cấu chấp hành của hệ thống có khả năng điều khiển vô cấp được như: quạt
tuần hoàn tác nhân sấy giúp ta có thể điều chỉnh được tốc độ gió theo yêu cầu công

nghệ.
+ Điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình một cách dễ dàng, để có thể phân cấp quá
trình sấy thành các giai đoạn để khảo sát, ví dụ giai đoạn tách ẩm, giai đoạn duy trì
nhiệt độ …
+ Một trong các thông số quan trọng cần nghiên cứu đó là công suất lạnh tách ẩm
của quá trình, do đó thiết bị phải có khả năng điều chỉnh công suất lạnh tách ẩm
thông qua việc điều khiển van tiết lưu môi chất lạnh của hệ thống.
+ Toàn bộ thông số của quá trình công nghệ phải được giám sát, quản lý và lưu trữ
để phục vụ cho quá trình làm thực nghiệm đối với các thông đó.
+ Thiết bị phải dễ vận hành, an toàn.
Trong phạm vi luận văn này chúng tôi mong muốn xây dựng được một mô
hình sấy thí nghiệm để phục vụ cho quá trình nghiên cứu và khảo sát kỹ hơn nữa về
sấy bơm nhiệt một lĩnh vực mới trong nghành chế biến thực phẩm của Việt Nam.

Học viên : Nguyễn Đình Công

13

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

II.2 – Cơ sở lý thuyết :
Buong say

IV

III
II

Thanh gia nhiet phu

TNS

TNS

TIT
MIT

I

PLC

QTN

TNS
TIT
PLC

BH1

NT1

MT

PIT

PIT

PLC

BH2
NT2

PLC
TL2 VD2

PLC

MN

TL1.1 VD1.1
TL1.2 VD1.2
TL1.3 VD1.3

PLC

V

Hình II.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt
Máy sấy bơm nhiệt theo nguyên lý trên gồm các phần như sau:
I – Calodife, trong hộp calodife này có dàn nóng để gia nhiệt cho tác nhân sấy
và dàn lạnh để tách ẩm cho tác nhân sấy.
II – Buồng sấy, trong đó có chứa các khay để đựng vật liệu sấy.
III, IV – Kênh gió vào và ra của buồng sấy.

Học viên : Nguyễn Đình Công

14

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

V – Hộp kỹ thuật, nơi chứa các thiết bị máy nén, dàn nóng và lạnh phụ, các
van tiết lưu.
Chu trình làm việc của máy sấy theo nguyên lý này: Tác nhân sấy được tách
ẩm ở dàn bay hơi BH1 sau đó được nâng nhiệt độ ở dàn ngưng tụ NT1 nằm trong
hộp calodife I. Sau đó không khí khô và nóng được quạt QTNS đưa vào buồng sấy
II qua kênh gió III khi vào buồng sấy ra tác nhân sấy lấy ẩm của vật liệu và đi ra
kênh gió IV rồi đi vào calodife I. Cứ như vậy chu trình được tuần hoàn kín.
Dàn bay hơi chính BH1 và dàn ngưng tụ chính NT1 được đặt trên đường đối
lưu của tác nhân sấy.
+ Giai đoạn đầu khi nhiệt độ buồng sấy và nguyên liệu chưa đạt đến nhiệt độ
yêu cầu nên khi máy nén bơm nhiệt hoạt động thì VD2 mở, VD1.1 đóng,VD1.2
đóng,VD1.3 đóng như vậy dàn NT1 Và BH2 hoạt động ở chế độ cấp nhiệt cho
buồng sấy với nguồn nhiệt lấy từ môi trường thông qua quá trình bay hơi thu nhiệt
của dàn BH2 và thải nhiệt ở dàn NT1.
+ Giai đoạn 2 khi nhiệt độ buồng sấy đã đạt đến yêu cầu cài đặt tại bộ điều
khiển trung tâm đưa ra lệnh cắt VD2 và mở VD1.1 hoặc VD1.2 hoặc VD1.3 hoặc
kết hợp tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà mình mong muốn, quá trình cấp nhiệt
dừng đồng thời quá trình tách ẩm tại dàn BH1 bắt đầu hoạt động nhờ cơ chế hạ
nhiệt độ tác nhân sấy tại BH1 xuống đến điểm đọng sương. Chu kỳ tác nhân sấy
tuần hoàn kín theo chiều từ buồng sấy thu ẩm của vật sấy sau đó đi qua thiết bị làm
mát bổ sung (Có thể bố trí thêm đặt trước BH1 bằng dàn ống có nước mát tuần hoàn
để thu nhiệt). Hệ điều khiển trung tâm giám sát thông số nhiệt độ t1 theo yêu cầu cài
đặt nếu khi nhiệt độ vượt cao hơn bật quạt NT2 để thải bớt nhiệt ra ngoài môi
trường cho đến khi nhiệt độ hạ đến giá trị cài đạt sẽ tắt quạt NT2. Mặt khác trong

quá trình sấy nhiệt độ giảm dưới mức cài đặt thì quá trình cấp nhiệt từ môi trường
giống như giai đoạn 1 hoạt động. Hệ điều khiển còn có tác dụng khống chế nhiệt độ
đọng sương ở mức hiệu quả cao nhất nhờ điều khiển nhiệt độ tác nhân sấy trước khi
đi vào thiết bị tách ẩm BH1 bằng cách điều khiển sự hoạt động của thiết bị làm mát

Học viên : Nguyễn Đình Công

15

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

bổ sung, tránh tình trạng nhiệt độ của tác nhân sấy cao quá dẫn đến khi đi qua BH1
mà chưa hạ đến điểm đọng sương. Theo sơ đồ trên:
MN- Máy nén bơm nhiệt
NT1- Dàn ngưng tụ chính đặt trên đường đối lưu tác nhân sấy trứơc khi đi vào
buồng sấy.
NT2- Dàn ngưng tụ phụ đặt ngoài buồng sấy
BH1- Dàn bay hơi chính đặt trên đuờng đối lưu tác nhân sấy sau khi đi qua
buồng sấy
BH2- Dàn bay hơi phụ đặt ngoài buồng sấy
VD1.1,VD1.2,VD1.3,VD2- Các van điện từ đóng chặn tác nhân lạnh
TL1.1, TL1.2, TL1.3, TL2 - Van tiết lưu chính và van tiết lưu phụ tương ứng
BH1,BH2
II.2.1 – Chu trình làm việc của tác nhân lạnh :
log P
q

N

P ,T
N

3

2

2'

2''

P ,T

0
x=

N

0

4
q

0

0

1

A

1' 1''

MN

x=1

i

Hình II.2: Chu trình vòng ngược của máy lạnh nén hơi một cấp trêm đồ thị logP-i

Học viên : Nguyễn Đình Công

16

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trạng thái của hơi tác nhân sau thiết bị bay hơi có thể là bão hòa ẩm (điểm 1),
bão hòa khô (điểm 1’), hơi quá nhiệt (điểm 1’’). Nhiệt độ và áp suất của hơi tại
điểm 1 và 1’ là như nhau, còn với điểm 1’’ có áp suất như điểm 1 và 1’ nhưng nhiệt
độ cao hơn. Máy nén (MN) hút hơi có trạng thái điểm 1 (hoặc điểm 1’, 1’’) rồi nén
đoạn nhiệt lên trạng thái điểm 2 (hoặc điểm 2’, 2’’). Áp suất của hơi tác nhân sau
khi nén đều bằng nhau và bằng áp suất ngưng tụ PN N/m2 nhưng nhiệt độ khác
nhau. Từ trạng thái điểm 2 (hoặc điểm 2’ hoặc 2’’ ) hơi tác nhân được đẩy tới thiết
bị ngưng tụ (NT). Nhờ truyền nhiệt cho nước hoặc không khí mà hơi tác nhân bão
hòa khô tại điểm 2 ngưng tụ đẳng áp PN, đẳng nhiệt TN và trở thành thể lỏng tại

điểm 3. Nếu trạng thái hơi là điểm 2’ hoặc 2’’ thì khi đến thiết bị ngưng tụ trước hết
chúng nguội đẳng áp PN từ nhiệt độ T2’ hoặc T2’’ xuống đến nhiệt độ TN rồi mới
ngưng tụ. Tác nhân lỏng sau ngưng tụ có trạng thái điểm 3(PN,TN) được đưa qua
van tiết lưu hoặc ống tiết lưu để giảm áp suất từ PN xuống thành áp suất P0 và giảm
nhiệt độ từ TN xuống T0 rồi cấp cho thiết bị bay hơi. Khi chảy qua van tiết lưu một
lượng tác nhân lỏng đã bay hơi do tổn thất trong quá trình tiết lưu, tổn thất nhiều
hay ít tùy thuộc vào loại tác nhân và chênh lệch áp suất giữa PN và P0 . Điểm 4 là
trạng thái của tác nhân sau van tiết lưu gồm tác nhân lỏng lạnh và hơi tác nhân lạnh,
khi vào thiết bị bay hơi chỉ có tác nhân lỏng bay hơi và làm lạnh không khí (hoặc
nước, vật rắn, nước muối ). Quá trình tiết lưu là quá trình đẳng entanpi i3 = i4 =
const, còn quá trình bay hơi trong thiết bị bay hơi là quá trình đẳng áp P0 và đẳng
nhiệt T0. Sau khi bay hơi thì trạng thái của tác nhân là điểm 1 (hoặc 1’, 1’’). Như
vậy chu trình của máy lạnh nén một cấp đơn giản là 1 – 2 – 3 – 4 – 1 hoặc 1’ – 2’ –
3 – 4 – 1’ hoặc 1’’ – 2’’ – 3 – 4 – 1’’ được thể hiện trên đồ thị logP – i.
-

Chu trình 1 – 2 – 3 – 4 – 1 là chu trình ẩm vì hơi hút về máy nén có trạng
thái bão hòa ẩm (điểm 1 thuộc vùng ẩm).

-

Chu trình 1’ – 2’ – 3 – 4 – 1’ là chu trình khô vì hơi hút về máy nén có trạng
thái bão hòa khô (điểm 1’ nằm ngay trên đường nhánh phải x = 1 của đường
cong giới hạn pha của tác nhân lạnh đã nạp vào máy lạnh).

Học viên : Nguyễn Đình Công

17

Lớp QTTB CNSH - CNTP

Luận văn thạc sĩ khoa học

-

Chu trình 1’’ – 2’’ – 3 – 4 – 1’’ là chu trình quá nhiệt vì hơi hút về máy nén
có trạng thái quá nhiệt (điểm 1’’ nằm ở vùng hơi quá nhiệt).
Trong thực tế ta phải tránh chu trình ẩm vì máy nén phải hút và nén hơi ẩm sẽ

gây nên va đập làm máy nén chóng hỏng, dễ xảy ra sự cố, tổn thất lớn.
II.2.2 – Chu trình làm việc của tác nhân sấy:

,
ϕ2

1

ϕ3

2
t2

4

3

t3

ϕ1 = 100%

t4

0

d

d

G

Hình II.3: Đồ thị I – d biểu diễn chu trình của tác nhân sấy.
1-2: Quá trình sấy( i 2 = i 3 ) trong buồng sấy
2-3-4: Quá trình không khí đi qua dàn bốc hơi của máy lạnh. ở đây không khí giảm
từ nhiệt độ t2 tới nhiệt độ đọng sương t 3 sau đó một phần hơi nước trong không khí
ngưng tụ lại
∆d = d 3 - d 4 , trạng thái 4 sau khi qua dàn bay hơi .
4-1: Quá trình đốt nóng không khí khi đi qua dàn ngưng tụ. Như vậy dàn ngưng
đóng vai trò calorife để đốt nóng tác nhân sấy từ trạng thái 4 lên trạng thái 1.
II.3 – Tính toán các thông số cơ bản của thiết bị:
II.3.1 - Các thông số tính toán.
II.3.1.1 – Vật liệu sấy
Mục tiêu đặt ra là xây dựng mô hình thực nghiệm thiết bị sấy bơm nhiệt để
ứng dụng sấy đối với sản phẩm có độ ẩm 90%, dải nhiệt độ sấy 300C – 600C. Trên

Học viên : Nguyễn Đình Công

18

Lớp QTTB CNSH - CNTP

Luận văn thạc sĩ khoa học

cơ sở thiết kế máy sấy phục vụ cho nghiên cứu, căn cứ vào những lý luận và thực
tiễn ta có thể đưa ra các thông số công nghệ và quy mô dự tính như sau :
- Nhiệt độ sấy: t 1 = 300C – 600C. Chọn t1 = 500C để tính toán
- Độ ẩm ban đầu nguyên liệu :

w1= 90 %

- Độ ẩm cuối của sản phẩm:

w2= 13 %

- Chọn quy mô thiết bị sấy với năng suất:

5000 g

- Thời gian sấy:

5h

+ Khối lượng một mẻ sấy:
Ta có:
G2 =

G1 = 5000 g/mẻ.

G2 .(100 − w1 ) 5000.(100 − 90.3)

= 557,5 g/mẻ
=
100 − w2
100 − 13

(1)

II.3.1.2 – Tác nhân sấy
Ta chọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:
Thông số ngoài trời trung bình trong năm của không khí:
- Nhiệt độ trung bình: t0 = 300C.
- Độ ẩm trung bình : ϕ0 = 83 %.
Thông số không khí trước khi vào thiết bị sấy
- Nhiệt độ tác nhân sấy vào và ra thiết bị sấy: t2 = 50 0C.
- Tốc độ gió là 0,6 ÷ 1 m/s. Ta chọn ω = 0,8 m/s.
Thông số không khí sau thiết bi sấy
Thông số không khí sau thiết bị sấy phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của
không khí để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy. Từ điểm
O(260C;81%) trên đồ thị I-d ta dóng theo đường d = const ta có ts = 230C.
- Nhiệt độ tác nhân sấy sau thiết bị sấy được chọn sao cho nó phải lớn hơn nhiệt độ
đọng sương. Ta chọn t3 = 25 0C.
Thông số không khí sau dàn lạnh
- Nhiệt độ: chon t1 = 8 0C.

Học viên : Nguyễn Đình Công

19

Lớp QTTB CNSH - CNTP

Luận văn thạc sĩ khoa học

- Độ ẩm tương đối:
Quá trình làm lạnh trong dàn lạnh thường đạt đến trạng thái bão hòa nên nhiệt độ
không khí sau dàn lạnh có thể lấy ϕ1 = 100%.
Thời gian sấy: chọn T = 5h.
II.3.2 - Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d
II.3.2.1 Đồ thị I-d
Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn nóng.
Điểm 2: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy.
Điểm 3: Trạng thái không khí trong dàn lạnh.
Điểm 4: Trạng thái không khí sau dàn lạnh.
II.3.2.2. Tính toán quá trình sấy
a - Lượng ẩm cần bốc hơi trung bình
∆U = (G1- G2) / τ = ( 5 – 0.545 ) / 5 = 0,891 kg/h

(3)

τ thời gian sấy
b - Thông số của môi trường ngoài:
Thường phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, theo thống kê ở miền Bắc ta chọn
+ Nhiệt độ Tm = 300C
+ Độ ẩm

ϕ = 83%

Từ số liệu bên ngoài trên ta có thể tìm các thông số khác như phân áp suất,
entanpi, độ chứa hơi.... bằng cách tra bảng hoặc đồ thị I - d của không khí ẩm.
t1(0C)

50

ϕ1 (%)

d1(kg ẩm/kgkk

I1(kJ/kgkk)

15

0,011

75,24

c - Thông số của tác nhân sấy sau khi đi qua thiết bị tách ẩm.
Tương tự như cách tính trên, kết quả tính toán cho ở bảng sau:

Học viên : Nguyễn Đình Công

20

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

T4(0C)

ϕ4(%)

D4(kg

I4(kJ/kgkkk)

Cdx(d4)

ẩm/kgkkk)
12

100

0,008

33,4

1,03

d - Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi hầm sấy t2 càng nhỏ càng tiết kiệm về mặt nhiệt
lượng, do độ ẩm sản phẩm ban đầu cao nên giai đầu của chu kỳ sấy độ ẩm ϕ2 của
tác nhân sấy sau qua trình sấy cao nên nhiệt độ t2 chênh khá nhiều so với nhiệt độ
đầu vào t1. Ta chọn t2 = 290C
Tương tự như cách tính trên, kết quả tính toán cho ở bảng sau:
t2(0C)

ϕ2(%)

D2(kg ẩm/kgkkk)

29

70

0,018

I2(kJ/kgkkk)
75,24

*Lượng chứa ẩm d3
Nhận xét độ ẩm của tác nhân sấy ra khỏi hầm sấy ϕ3 luôn là giá trị thay
đổi,ban đầu khi độ ẩm của sản phẩm cao nên ϕ3 khoảng 70% và đần giảm khi độ
ẩm của sản phẩm giảm cuối quá trình sấy ϕ3 khoảng 15%, mặt khác nhiệt độ t2 tăng
dần đến giai đoạn cuối chênh so với t1 khoảng ∆t = 30C÷ 50C . Như vậy ϕ3 nằm
trong khoảng: 15<ϕ3<70%.
f- Lượng không khí khô lí thuyết
10 =

1
1
=
= 100 kgkkk/ kg ẩm
d 20 − d1 0, 018 − 0, 008

L0 = 10 WTB = 100 . 0,891 = 89,1 kgkk/h

(4)
(5)

g- Lưu lượng thể tích tác nhân trung bình trong hầm sấy
- Lưu lượng tác nhân tại đầu vào

Với nhiệt độ t1= 500C, ϕ1 = 15% ta có v = 0,915 m3/kg

Học viên : Nguyễn Đình Công

21

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

V1 = L0 . v = 89,1 . 0,915 = 81,53 m3/h

(6)

- Lưu lượng tác nhân tại đầu ra
t2 = 290C, ϕ2 = 70% ta có v = 0,86 m3/kg
V2 = L0 . v = 89,1 . 0,86 = 76,63 m3/h

(7)

- Lưu lượng tác nhân trung bình
V0 =

V1 + V2 81, 53 + 76, 63
=
= 79 m 3 / h
2
2

(8)

- Tốc độ tác nhân sấy trong quá trình sấy thực:
Dự tính thiết kế buồng sấy dạng hình hộp, kích thước trong buồng: dài x rộng
x cao : 1600 x 570 x 500.
Tiết diện trống tự do tác nhân đi qua chọn bằng: 1/2 tiết diện buồng sấy
ω = V0/ [(B xL)/2 ]

(9)

= 79 / [0,57 . 0,5 /4 ] = 1264 m/h
Hay ω = 1696 / 3600 = 0,35 m/s
II.3.2.3. Tính toán nhiệt
Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm:
qlt =

75,24-33,4
I1 -I 4
=
= 4184 kJ/kga.
d 3 -d 4
0,018-0,008

(10)

Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy:
W=G1

w1 -w 2
90,3 − 13

=5
= 4, 44 kg/mẻ
100-w 2
100 − 13

(11)

Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:
Qlt = W.qlt = 4184.4,44 = 18577 kJ

(12)

Năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy trong 1giây:

Học viên : Nguyễn Đình Công

22

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Q0 lt =

Qlt

τ

=

18577
= 1, 03 kW
5.3600

(13)

Lượng ẩm ngưng tụ:
∆ dlt

= d3 –d4 = 0,018 – 0,008 = 0,01 kga.

(14)

Lượng không khí khô cần thiết để bay hơi 1kg ẩm
llt =

1
1
=
=100 kgkkk/kga
d 3 -d 4 0,01

(15)

Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm:
qll lt = llt.(I3 – I1) = 100.(75,24 – 33,4) = 4184 kJ/kga.

(16)

Lượng nhiệt dàn lạnh thu được:
Qll lt = W.qll lt = 4184.4,44 = 18577 kJ

(17)

II.3.3 – Tính nhiệt quá trình sấy thực:
a- Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy: Q1
- Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy khi ra khỏi buồng sấy:
CvL = Cvk (1 - ω2 ) + Caω2

(18)

Cvk - NDR của vật khô
Ca - NDR của vật ẩm
CvL = 3,6 . ( 1 - 0,18 ) + 4,18 . 0,18 = 3,7 kJ/kg.k
Q1= CvL.G.( t1-tmt )= 3,7 . 0,545 . ( 40-30) = 20,2KJ

(19)

q1 = Q1/ WTB = 20,2 / 0,891 = 22,7 kJ/kg ẩm

(20)

b- Tổn thất nhiệt do thùng quay: Q2
Thùng quay chọn vật liệu làm bằng inox. Nhiệt độ ra khỏi buồng sấy của
thùng quay lấy bằng 400C , Nhiệt độ môi trường chọn trung bình tm = 300C.
Q2 = Gtq.Ctq( t1- tm)

Học viên : Nguyễn Đình Công

(21)

23

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Q2 = 5. 0,51.( 40-30) = 25,5 kJ
q2 = Q2/WTB = 25,5 / 0,891 = 28,6 kJ/kg ẩm

(22)

c- Tổn thất nhiệt ra môi trường ngoài do bao che: Q3
Trao đổi nhiệt của không khí lưu thông trong buồng sấy với vật ẩm là trao đổi
nhiệt đối lưu cưỡng bức, bên ngoài buồng sấy trao đổi nhiệt giữa vách hầm với môi
trường ngoài là đối lưu tự nhiên với dòng chảy đều.
* Tính nhiệt độ dòng chảy qua vách.
Nhiệt độ trung bình trong buồng sấy:
tf1 = 0,5 . (t1 + t2) = 0,5 (50 + 29) = 39,50C
Ta giả thiết nhiệt độ vách trong buồng sấy: tw1= 39,140C
Theo giả thiết, tốc độ của tác nhân sấy chuyển động qua tiết diện tự do trong
buồng sấy là ω = 0,6m/s. Hệ số toả nhiệt đối lưu cưỡng bức của tác nhân sấy α1 ứng
với tốc độ của tác nhân ω < 5m/s.
α1 = 6,15 + 4,71 ω
α1 = 6,15 + 4,71 . 0,6 = 8,98 W/m2 .k
Mật độ dòng nhiệt q3= α1 (tf1- tw1) = 8,98 . (39,5 - 39,14) = 3,23 W/m2

(23)

* Nhiệt tổn thất qua vách
Q3 = q3 . F1

(24)

F1 = 2 . 0,5 (1,2 + 0,5) + 2. 1,2 . 0,5) = 3 m2
Q3 = 3,23 . 3 . 3,6 = 35 kJ/h ( với 1w = 1j/s)
q3 = Q3 / WTB = 35 / 0,891 = 39,3 kJ/kg ẩm

(25)

F1 - Diện tích vách buồng sấy, m2
d- Tổng tổn thất của buồng sấy
Q = Q1+ Q2 + Q3

Học viên : Nguyễn Đình Công

(26)

24

Lớp QTTB CNSH - CNTP


Luận văn thạc sĩ khoa học

Q = 22,7 + 28,6 + 39,3 = 90,6 kJ/h
q = Q / WTB = 90,6 / 0,891 = 101,7 kJ/kg ẩm
đ- Xác định các thông số sau quá trình sấy thực:

Ta xác định được các thông số để xác định điểm sấy thực trên I-d

T2(0C)

ϕ2 (%)

d2 (kgẩm/kgkk)

I2 (kJ/kgkk)

29,0

84

0,019

75,24

Nhận xét ϕ2 = 84% nằm trong khoảng cho phép 85% < ϕ < 95% thoả mãn
điều kiện nhiệt lượng do tác nhân sấy mang đi vừa đảm bảo không xẩy ra hiện
tượng đọng sương trên bề mặt vật liệu sấy.
e- Lượng tác nhân sấy trong sấy thực

10 =

1
1
=
= 100 kgkkk/kgẩm
d2 − d1 0,018 − 0,008

(27)

Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm
L0 = l0 . WTB = 100 . 0,891 = 89,1 kgkkk/h

(28)

h-Thiết lập bảng cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng tiêu hao q:
q = 10 (I1 - I4) = 100. (75,24 - 25) = 5024 kJ/kgẩm

(29)

Nhiệt lượng có ích qi:
qi = l0.i2 - Catvl= 100.75,24 - 4,18 .30 = 7398,6 kJ/kgẩm

(30)

Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang đi qtns:
qtns = 10.Cdx(d0) (t3 – t4) = 100 . 1,03 .(29 - 12) = 1751kJ/kgẩm

(31)

Tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất qtổng:

Học viên : Nguyễn Đình Công

25

Lớp QTTB CNSH - CNTP